計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)淺析

王 鈺

（西安航空學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，陜西 西安 710077）

1 計(jì)算機(jī)硬件簡(jiǎn)介

計(jì)算機(jī)硬件是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由電子、機(jī)械和光電元件等組成的各種物理裝置的總稱。這些物理設(shè)備按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體為計(jì)算機(jī)軟件的運(yùn)行提供物質(zhì)基礎(chǔ)。簡(jiǎn)言之，計(jì)算機(jī)硬件的功能是輸入并存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，以及執(zhí)行程序，把數(shù)據(jù)加工成可以利用的形式。從外觀上看，微機(jī)由主機(jī)箱和外部設(shè)備組成。主機(jī)箱內(nèi)部主要包括：CPU、內(nèi)存、主板、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、光驅(qū)、各種擴(kuò)展卡、連接線、電源等；外部設(shè)備包括鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、顯示器、音箱等，這些設(shè)備通過(guò)接口和連接線與主機(jī)相連[1]。

2 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)

計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理為核心，逐步掌握各個(gè)硬件模塊的原理與功能，從而能夠利用硬件技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

3 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的范疇

計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)主要面向計(jì)算機(jī)軟方向?qū)I(yè)開(kāi)設(shè)，因此是一門(mén)綜合性的硬件技術(shù)課程，其范疇包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述、電路元器件、計(jì)算機(jī)數(shù)制、常用邏輯部件、硬件結(jié)構(gòu)及原理、指令與匯編語(yǔ)言、接口與外部系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)[2]。

其中，對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都做了詳細(xì)的分析，以計(jì)算機(jī)組成為例，如下圖所示：

圖1 計(jì)算機(jī)硬件組成

圖中涵蓋了計(jì)算機(jī)五大硬件模塊：運(yùn)算器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)器，箭頭表明了各種信息流向。圖中，我們首先要了解各個(gè)硬件模塊的功能，從而根據(jù)箭頭分析各種信息在硬件設(shè)備中如何傳遞。

4 硬件技術(shù)的核心

硬件技術(shù)的核心包括如下幾個(gè)方面：

（1）計(jì)算機(jī)硬件組成原理

計(jì)算機(jī)硬件組成原理為掌握硬件技術(shù)的基礎(chǔ)。

（2）微處理器

微處理器是計(jì)算機(jī)核心部件，主要包括運(yùn)算器和控制器。微處理器技術(shù)，重點(diǎn)是對(duì)指令和指令系統(tǒng)的理解。

同一廠商會(huì)在一個(gè)處理器產(chǎn)品的基礎(chǔ)上不斷研發(fā)下一代新的兼容產(chǎn)品，而新一代處理器與前一代要實(shí)現(xiàn)指令兼容，即新一代指令系統(tǒng)包含前一代處理器的全部指令，同時(shí)可能增加新指令。而不同廠商之間也可能生產(chǎn)指令兼容的處理器產(chǎn)品。如何提高處理器性能，也是各個(gè)廠商爭(zhēng)先研究的對(duì)象，一般采取的技術(shù)包括：流水線、超標(biāo)量、超線程、Cache、擴(kuò)展指令集、多核心等。

（3）總線

總線就是嚴(yán)格定義的信號(hào)線集合，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)各個(gè)部件之間信息傳輸?shù)耐ǖ繹3]?？偩€具備公共性、標(biāo)準(zhǔn)型和可擴(kuò)展性等特征。通過(guò)總線可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接或者多點(diǎn)連接。只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的通道在概念上不是總線，習(xí)慣上也稱為總線。

在計(jì)算機(jī)中，總線一般分三種：數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。

DB：傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容，與內(nèi)存、I/O之間雙向傳輸；

AB：傳輸?shù)拇鎯?chǔ)位置，如存儲(chǔ)器地址、端口地址等，與I/O接口或之間單向傳輸；

CB：傳輸各種控制信號(hào)，如存儲(chǔ)器讀/寫(xiě)、端口讀/寫(xiě)等，與I/O接口之間單向傳輸。

（4）接口

接口是用于完成計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)與外設(shè)之間的信息交換[4-5]。接口由接口硬件（接口電路、連接器、連接電纜等）和接口軟件（程序）組成。如下圖所示：

圖2 接口電路的構(gòu)成

接口功能主要包括：數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)緩沖、信號(hào)變換、中斷、差錯(cuò)控制、高層通信協(xié)議、即插即用、電源管理、動(dòng)態(tài)配置等。接口構(gòu)成都是通過(guò)數(shù)據(jù)變換機(jī)制來(lái)完成。對(duì)接口的操作是程序?qū)涌诘脑L問(wèn)（讀/寫(xiě)）的方式，不同接口電路支持不同的操作方式，常用方式包括查詢、中斷和DMA控制方式。

5 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)總結(jié)

熟悉計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，目的是提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。不僅僅要熟悉各個(gè)硬件模塊的功能，還需了解相關(guān)最新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及新標(biāo)準(zhǔn)，利用硬件性能測(cè)試方法，能解決在實(shí)際使用中出現(xiàn)的問(wèn)題。

［1］李桂秋,宋維堂.計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社,2012：5-8.

［2］王福瑞.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2000：57-61.

［3］周洪利,朱衛(wèi)東,陳連坤.計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2012：159-162.

［4］何為民,潘仕彬.計(jì)算機(jī)組成與嵌入式系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007：45-47.

［5］張忠華.多媒體計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2013：100-105.